ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΑΤΣΙΑΚΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΜΑΤΣΙΑΚΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6575 Θέμα: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΣΕ ΠΛΗΓΕΙΣΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα: [1]

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΣΕ ΠΛΗΓΕΙΣΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΜΑΤΣΙΑΚΑ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Α.Μ.: 6575 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής [2]

3 Ευχαριστίες: Νιώθω την ανάγκη και την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά όσους με βοήθησαν για τη διεκπεραίωση της διπλωματικής μου εργασίας. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτρια και επιβλέπουσα της διπλωματικής μου εργασίας για τη βοήθειά της, τις χρήσιμες συμβουλές της καθόλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας και για τη συνεργασία που αναπτύχθηκε. Τέλος, ευχαριστώ τους γονείς μου για την υποστήριξη τους τόσο σε υλικό όσο και ψυχολογικό επίπεδο κατά τη διάρκεια της μαθητικής και σπουδαστικής μου πορείας. [3]

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΣΕ ΠΛΗΓΕΙΣΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Φοιτητής: ΜΑΤΣΙΑΚΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Περίληψη Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται αναφορά και μελέτη των επιπτώσεων κεραυνικών πληγμάτων σε διατάξεις χαμηλής τάσης και των τρόπων με τους οποίους ο άνθρωπος μπορεί να προστατέψει αυτές τις κατασκευές. Μετά την παρουσίαση των βασικών παραμέτρων του κεραυνού και των συνεπειών των πληγμάτων στις κατασκευές, μελετήθηκε και σχεδιάστηκε ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας για ένα μοντέλο (υπάρχουσα κτηριακή κατασκευή στην Αχαΐα), το οποίο εν συνεχεία υποβλήθηκε σε κεραυνικό ρεύμα, μέσω προγράμματος εξομοίωσης, ώστε να παρατηρηθεί η συμπεριφορά του και να διαπιστωθούν τα επίπεδα ασφάλειας του. Σκοπός είναι η αποφυγή ζημιών λόγω κεραυνικών πληγμάτων. Η μελέτη έγινε σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς και πρότυπα ασφαλείας. Κάνοντας χρήση του λογισμικού προσομοίωσης EMTP ATP, μελετήθηκε η μεταβατική συμπεριφορά δύο διαφορετικών συστημάτων γείωσης, ώστε να κριθεί αν είναι αποτελεσματικά ή όχι. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται το φυσικό φαινόμενο του κεραυνού, τα είδη του, ο μηχανισμός των ατμοσφαιρικών εκκενώσεων και τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Στο Κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι άσχημες συνέπειες που προκαλούν τα κεραυνικά πλήγματα σε κατασκευές, τη φύση και τον άνθρωπο. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι μέθοδοι προστασίας κατασκευών από κεραυνούς. Αναλύεται και περιγράφεται πλήρως η μελέτη και η διαδικασία επιλογής του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται αναλυτικά η σχεδίαση του εξωτερικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας μιας κατασκευής τηρώντας τους κανονισμούς. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η υπό μελέτη κτηριακή κατασκευή και αναλυτικά τα επιμέρους τμήματα του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας που σχεδιάσαμε. Στο Κεφάλαιο 5 αναφέρονται διάφοροι τρόποι μοντελοποίησης του συστήματος και παρουσιάζεται ο επικρατέστερος, που χρησιμοποιήθηκε και στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια υπολογίζονται τα στοιχεία του κυκλώματος γείωσης, καθώς και του συστήματος συλλογής και των αγωγών καθόδου. Μετά τον υπολογισμό των παραμέτρων αυτών σχεδιάζεται το [4]

5 ισοδύναμο κύκλωμα της εγκατάστασης και γίνεται η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα εξομοίωσης ATP. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται η επιβολή του κεραυνικού ρεύματος στο κύκλωμα και παρατηρείται η συμπεριφορά του δυναμικού στα σημεία εκχύσεως καθώς και σε γειτονικούς κόμβους. Έπειτα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων και συγκεντρωτικών πινάκων. Στο τέλος, παρατίθενται παρατηρήσεις και συμπεράσματα. Abstract In this thesis reference and study is made concerning the impact of lightning strikes in low voltage systems and the ways in which humans can protect such structures. After the presentation of the basic parameters of lightning and its consequences on structures, a lightning protection system model was studied and designed (for an actual house in Achaia). After been subjected to lightning current through emulation, observation of its behavior is made, and conclusion to the safety levels. Its purpose is to prevent damage due to lightning strikes. The emulation was made according to the international regulations and standards. Using the simulation software EMTP - ATP, we studied the transient behavior of two different grounding systems, to determine whether they are effective or not. Chapter 1 describes the natural phenomena of lightning, the categories, the mechanism of atmospheric discharges and natural features. Chapter 2 deals with the bad consequences caused by lightning strikes to structures, nature and man. Chapter 3 presents the methods of construction of lightning protection. Fully analyzed and described the study and selection process of the lightning protection system. It then gives a detailed design of the external lightning protection system of a structure in compliance with the regulations. Chapter 4 presents the study brick and mortar construction and detail the individual parts of the lightning protection system that we designed. Chapter 5 suggests several ways of modeling the system and the dominant, the one that we preferred in this thesis, is presented. Then there is the calculation of the grounding circuit elements, the collection system and conductors. After the calculation of these parameters, an equivalent circuit of the installation is designed and they are imported into the simulation software ATP. In Chapter 6 we impose the lightning current in the circuit and observe the dynamic behavior of the discharge points and adjacent nodes. Then follows the presentation of the results in forms of graphs and concentrated tables. In the end, remarks and conclusions are made. [5]

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ-ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ 1.1 Εισαγωγή Ηλεκτρική κατάσταση της γης Ηλεκτρική συμπεριφορά του σύννεφου Ορισμοί-παράμετροι του κεραυνού Είδη κεραυνών Ρεύμα κεραυνού και σχετικές παράμετροι Παράγοντες που επηρεάζουν τον κεραυνό, συχνότητα κεραυνών 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ 2.1 Θερμικές συνέπειες Μηχανικές συνέπειες Ηλεκτρικές συνέπειες Συνέπειες στις τηλεπικοινωνίες Συνέπειες στον άνθρωπο Αναγκαιότητα κατασκευής συστήματος αντικεραυνικής προστασίας.22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 3.1 Σχεδίαση του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Εκτίμηση κινδύνου από την πτώση κεραυνού Επιλογή της στάθμης προστασίας του ΣΑΠ Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Μέση ετήσια πυκνότητα πλήγματος κεραυνού στο έδαφος Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων Διαδικασία επιλογής Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Σχεδίαση Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Συλλεκτήριο σύστημα Αγωγοί καθόδου Το κύκλωμα γείωσης Είδη γειώσεων Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης..38 [6]

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΤΗΡΙΑΚΟΥ ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 Περιγραφή του υπό μελέτη κτηριακού συγκροτήματος Μελέτη της κατασκευής Υπολογισμός ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας Μέση ετήσια πυκνότητα πλήγματος κεραυνού στο έδαφος, Ng Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων, Nc Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων, Nd Επιλογή στάθμης προστασίας Σχεδιασμός ΣΑΠ Σχεδίαση συλλεκτηρίου συστήματος Σχεδίαση αγωγών καθόδου Σχεδίαση συστήματος γείωσης Παράλληλος συνδυασμός οριζόντιας ταινίας με κατακόρυφο ηλεκτρόδιο Περιμετρική γείωση..54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 5.1 Επιλογή μοντέλου προσομοίωσης Υπολογισμός των στοιχείων της κυκλωματικής προσέγγισης Αυτεπαγωγή L Εμπεδήσεις R Προσομοίωση Κρουστικό ρεύμα κεραυνού..65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Αποτελέσματα προσομοίωσης Συμπεράσματα.85 Παράρτημα ATP EMTP..86 Βιβλιογραφία.91 [7]

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΚΕΡΑΥΝΩΝ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η γη πλήττεται καθημερινά από εκατομμύρια κεραυνούς κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται κυρίως στο φαινόμενο του κεραυνού και τις αρνητικές επιδράσεις ενός πλήγματος σε ένα σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Η πτώση ενός κεραυνού σε σημεία ζωτικής σημασίας για ένα δίκτυο διανομής, όπως γραμμές μέσης και χαμηλής τάσης, γειτονικές περιοχές ή κτηριακές υποδομές, προκαλεί την ανάπτυξη υπερτάσεων. Αυτές οι υπερτάσεις είναι συχνά επίπονες, ακόμα και καταστροφικές, για τον οικιακό ή βιομηχανικό εξοπλισμό που εξυπηρετείται από το πληγέν σύστημα διανομής. Την αφορμή για τη μελέτη του φαινομένου του κεραυνού και των υπερτάσεων που αναπτύσσονται εξαιτίας του, αποτέλεσε η αξιόπιστη λειτουργία των συστημάτων διανομής και η προστασία των καταναλωτών μέσης και χαμηλής τάσης. Η μελέτη των φαινομένων αυτών προχωράει συνεχώς, καθώς πρέπει να λαμβάνονται όλο και πιο αποτελεσματικά μέτρα για την αντιμετώπισή τους. Ο απώτερος στόχος των ερευνών αυτών είναι να διαμορφωθεί ένα σύστημα διανομής ικανό να ανταπεξέλθει στο απρόβλεπτο φαινόμενο του κεραυνού. Στη συνέχεια αυτού του κεφαλαίου παρατίθενται σημαντικές πληροφορίες και απαραίτητα στοιχεία σχετικά με τα φυσικά χαρακτηριστικά του κεραυνού, τις παραμέτρους του και τις επιπτώσεις ενός κεραυνικού πλήγματος από διαφορετικές σκοπιές. [8]

9 Σχήμα 1.1 Κεραυνοί ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ Η γη εμφανίζεται μόνιμα φορτισμένη με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο της τάξης των 5x10 5 C. Υπό συνθήκες καλοκαιρίας, το φορτίο αυτό προκαλεί στην επιφάνεια της γης ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα προς τη γη με ένταση περίπου 0.13 kv/m. Ισοδύναμη ποσότητα θετικού φορτίου παραμένει κατανεμημένη στην ατμόσφαιρα με μεγαλύτερη πυκνότητα στα χαμηλότερα στρώματα. Η παρουσία του κατανεμημένου θετικού φορτίου έχει σαν αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πεδίου της γης με το ύψος. Εξαιτίας αυτού του κατακόρυφου πεδίου η γη βρίσκεται συνεχώς σε τάση 300 kv σε σχέση με τα ανώτερα τμήματα της ατμόσφαιρας. Ιονισμένα σωματίδια (θετικού και αρνητικού προσήμου) που παράγονται από κοσμική ακτινοβολία, γήινη ραδιενέργεια και άλλες αιτίες, προσδίδουν στον αέρα ορισμένη αγωγιμότητα. Εξαιτίας αυτής και του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας ιόντα και των δυο προσήμων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα την εξομάλυνση του γήινου πεδίου και συνεπώς την εκφόρτιση της γης. Το γεγονός ότι αυτό δε συμβαίνει οφείλεται στο γεγονός ότι η γη δέχεται ταυτόχρονα αρνητικό φορτίο ισοδύναμο με αυτό του ρεύματος των θετικών ιόντων. Η κύρια πηγή που τροφοδοτεί τη γη με αρνητικό φορτίο είναι ηλεκτρισμένα σύννεφα και οι κεραυνοί. [1] [9]

10 1.3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΟΥ ΣΥΝΝΕΦΟΥ Η πιο συνηθισμένη ηλεκτρική εικόνα ενός σύννεφου είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο θετικό στην κορυφή του και αρνητικό στην πλευρά προς τη γη. Αυτή η εικόνα είναι η συνηθέστερη, αλλά δεν αποτελεί γενικό κανόνα. Έχουν διατυπωθεί αρκετές θεωρίες σχετικά με τον τρόπο συγκέντρωσης του ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα, καμία ωστόσο δεν είναι γενικά αποδεκτή. Αυτές οι θεωρίες διαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτές που βασίζονται στη φόρτιση των σταγονιδίων του νέφους που συμβαίνει κατά την πτώση τους προς τη γη και σε αυτές που βασίζονται στη μεταφορά φορτίων σε ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, με ανοδικά ρεύματα που οφείλονται σε διαφορές θερμοκρασίας. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σύννεφου διαταράσσει το ομαλό πεδίο καλοκαιρίας με αποτέλεσμα την αντιστροφή του. Έτσι αναστρέφεται και η φορά του ρεύματος καλοκαιρίας που ρέει προς τη γη. Το σύννεφο περνά από την ουδέτερη στην ηλεκτρισμένη κατάσταση σε περίπου 2 λεπτά. Μόλις σχηματιστεί ένα ηλεκτρισμένο νέφος, το ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας αναστρέφεται, αποκτά την κατεύθυνση της κακοκαιρίας, δηλαδή από τη γη προς την ατμόσφαιρα, και αποκτά τιμές που φθάνουν τα 10 kv/m. Με κάθε εσωτερική εκκένωση του νέφους ή κεραυνού, το πεδίο αυτό διαταράσσεται στιγμιαία, αλλά αποκαθίσταται σχεδόν άμεσα στην προηγούμενη τιμή του. Όταν το πεδίο που προκαλείται στην επιφάνεια της γης, λόγω της παρουσίας ενός ηλεκτρισμένου σύννεφου, αγγίξει τιμές περίπου στα 2 kv/m και άνω, αρχίζει ιονισμός από κρούσεις σε αιχμηρές προεξοχές του εδάφους, όπως ψηλά κτήρια, απαγωγείς κεραυνών κτλ. και θετικά ιόντα μεταφέρονται από τη γη στην ατμόσφαιρα μέσω του αγωγού. Το ρεύμα που δημιουργείται ονομάζεται ρεύμα ιονισμού της προεξοχής (point-discharge current). Αυτό το ρεύμα, καθώς και τα φορτία χώρου που δημιουργούνται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εκκένωση του κεραυνού. [1] Καθώς η ταχύτητα αυτών των ιόντων είναι πολύ μικρή σε σχέση με αυτή του ανέμου κατά τη διάρκεια της καταιγίδας, η κίνησή τους καθορίζεται κυρίως από την ταχύτητα του ανέμου, με αποτέλεσμα πολλά από τα ιόντα αυτά να διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα. Έτσι προκύπτει ότι η τιμή του ρεύματος είναι συνάρτηση : του μεγέθους του ηλεκτρικού πεδίου του ύψους του αγωγού (αγώγιμης επιφάνειας, δέντρου, βρεγμένου κτηρίου κτλ. ) από τον οποίο παράγεται, της ταχύτητας του ανέμου. [10]

11 1.4 ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΟΥ ΚΕΡΑΥΝΟΥ Χαρακτηριστικά μεγέθη του κεραυνού αποτελούν : Η πολικότητα, που καθορίζεται από το πρόσημο του φορτίου του κεραυνού και εξαρτάται από τη γεωγραφική του θέση. Στις περισσότερες περιπτώσεις (κοντά στο 90%), το φορτίο του κεραυνού είναι αρνητικό (αρνητικοί κεραυνοί). Αντίθετα, η εκκένωση ενός «θετικού νέφους» προς τη γη γίνεται με έναν «θετικό κεραυνό». Η κατεύθυνση, που καθορίζεται από το μέσο εκκίνησης του κεραυνού, από το σύννεφο προς τη γη (κατερχόμενος οχετός προεκκένωσης) ή αντίστροφα (ανερχόμενος οχετός προεκκένωσης). Η πολικότητα οχετού προεκκένωσης, ταυτίζεται με την πολικότητα του φορτίου της θέσης από την οποία ξεκινά, πχ από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας «θετικός οχετός προεκκένωσης», ενώ από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο ξεκινά ένας «αρνητικός οχετός προεκκένωσης». Πολικότητα του ηλεκτρικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο κάτω από ένα «αρνητικό σύννεφο» ορίζεται σαν «αρνητικό» και αντίστροφα. Το πεδίο καλοκαιρίας του εδάφους έχει «θετική κατεύθυνση», σύμφωνα με αυτό τον ορισμό.[1][3] 1.5 ΕΙΔΗ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Οι ατμοσφαιρικές εκκενώσεις διακρίνονται σε 3 κατηγορίες : 1) Μεταξύ σύννεφου και γης και αντίστροφα 2) Εντός του ίδιου σύννεφου 3) Μεταξύ των σύννεφων [2] Ανάμεσα στο σύννεφο και το έδαφος δημιουργείται μια ζώνη αυξημένων πεδιακών εντάσεων όταν συγκεντρώνεται φορτίο ενός προσήμου σε μια θέση του σύννεφου και επαγόμενο φορτίο αντίθετου προσήμου στο έδαφος. Οι υψηλότερες εντάσεις μέσα σε αυτή την ζώνη αναπτύσσονται είτε πλησίον του νέφους είτε σε κάποια σημαντική προεξοχή του εδάφους. Έτσι διακρίνουμε τέσσερις περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού : «Κατερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα αρνητικό σύννεφο. «Ανερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα αρνητικό σύννεφο. «κατερχόμενος θετικός οχετός» προεκκένωσης, που αρχίζει από ένα θετικό σύννεφο. [11]

12 «ανερχόμενος αρνητικός οχετός» προεκκένωσης που αρχίζει από μια προεξοχή του εδάφους κάτω από ένα θετικό σύννεφο. Σχήμα Περιπτώσεις έναρξης του οχετού προεκκένωσης του κεραυνού Αν ο αναπτυσσόμενος οχετός προεκκένωσης γεφυρώσει όλο το διάκενο μεταξύ σύννεφου και γης, τότε ακολουθεί ο οχετός επιστροφής και έτσι ολοκληρώνεται ένας από τους τέσσερις τύπους κεραυνού που απεικονίζονται στο παραπάνω σχήμα. Αξίζει να σημειωθεί πως η περίπτωση (d) αποτελεί τον ισχυρότερο τύπο κεραυνού και συνοδεύεται από τις μεγαλύτερες εντάσεις ρεύματος που έχουν παρατηρηθεί. Από την άλλη, η περίπτωση (c) είναι γενικά σπάνια. [12]

13 1.6 ΡΕΥΜΑ ΚΕΡΑΥΝΟΥ ΚΑΙ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Όταν μια γραμμή μεταφοράς ή μια κατασκευή πληγεί από κεραυνικό ρεύμα, το μέγεθος της καταπόνησης που θα υποστεί εξαρτάται από το ρεύμα αυτό. Συνεπώς, βασική παράμετρος της εκκένωσης του κεραυνού είναι το ρεύμα του. Το κύριο ρεύμα που συνοδεύει μια εκκένωση κεραυνού οφείλεται στον οχετό επιστροφής. Το μέγεθος του αναπτυσσόμενου ρεύματος είναι ανάλογο με το μέγεθος του φορτίου που εκτονώνεται και την ταχύτητα του οχετού επιστροφής. Οι παλιότερες θεωρίες αναφορικά με τη μέτρηση του ρεύματος και των παραμέτρων του, βασίζονται σε εκτιμήσεις που προκύπτουν από τις θερμικές και μηχανικές συνέπειες του κεραυνού. Άλλος τρόπος μέτρησης είναι αυτός της μαγνητικής ζεύξης. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην ικανότητα ενός μαγνητικού υλικού να μαγνητίζεται με τη μέγιστη τιμή του μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο βρίσκεται. Η τιμή μαγνήτισης εξαρτάται από το ρεύμα που προκαλεί το μαγνητικό πεδίο. Όταν ένας κεραυνός λοιπόν διαρρέει έναν αγωγό, σχηματίζει γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Τοποθετώντας ένα μαγνητικό υλικό με μεγάλη υστέρηση δίπλα στον αγωγό, αυτό μαγνητίζεται με τη μέγιστη ένταση. Μπορούμε έτσι μεταφέροντας αυτό το υλικό στο εργαστήριο να πάρουμε τις ανάλογες μετρήσεις. Τέτοιου είδους μαγνητιζόμενα υλικά τοποθετούνται σε επαφή με τμήματα μεταλλικών πύργων μεταφοράς. Η ακρίβεια αυτών των μεθόδων βέβαια είναι περιορισμένη, καθώς : Δε μπορούν να μετρηθούν όλες οι περιοχές που εκτείνεται το ρεύμα του κεραυνού. Δε μπορεί να γίνει διάκριση ανάμεσα στο ρεύμα των διάφορων εκκενώσεων ενός πολλαπλού κεραυνού, αφού μετράμε μόνο τη μέγιστη τιμή. Για τους παραπάνω λόγους λοιπόν, ο πιο σύγχρονος τρόπος μέτρησης που χρησιμοποιείται είναι ο παλμογράφος. Κι αυτή η μέθοδος όμως παρουσιάζει ένα άλλο πρόβλημα. Λόγω της σπανιότητας και της τυχαιότητας του φαινομένου του κεραυνού, είναι δύσκολο να ληφθούν παλμογραφήματα και ταυτόχρονα είναι αρκετά δαπανηρή μέθοδος. 1.7 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΟΝ ΚΕΡΑΥΝΟ, ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΥΝΩΝ Σε περιοχές με εύκρατο κλίμα τα χαρακτηριστικά του κεραυνού επηρεάζονται από τη ορεογραφική κατάσταση της περιοχής. Στις ορεινές περιοχές η ένταση του ρεύματος του κεραυνού, καθώς και το σχετικό φορτίο, είναι μικρά. Αυτό συμβαίνει γιατί η μικρή απόσταση νέφους γης προκαλεί εκκενώσεις στη γη πριν ολοκληρωθεί η διαδικασία φόρτισης του νέφους. [13]

14 Συνεπώς και το μικρό μήκος του αγωγού του κεραυνού έχει σαν αποτέλεσμα τη συσσώρευση ενός μικρού μόνο φορτίου κατά μήκος αυτού. Στις πεδινές περιοχές ο αριθμός των εκκενώσεων είναι μικρότερος από ότι στις ορεινές, αλλά καθότι η απόσταση νέφους γης είναι μεγαλύτερη σημειώνονται κεραυνοί με υψηλές εντάσεις ρεύματος. Αυτό οφείλεται στην παρουσία πολύ φορτισμένων νεφών και οχετών εκκενώσεων μεγάλου μήκους. Η εποχή παίζει φυσικά μεγάλο ρόλο στη δημιουργία κεραυνικών εκκενώσεων. Το καλοκαίρι, λόγω της σημαντικής απόστασης μεταξύ των σύννεφων και της γης, πολλές εκκενώσεις συμβαίνουν μεταξύ των νεφών ή εσωτερικά ενός νέφους. Αυτό έχει σαν συνέπεια μια απότομη μεταβολή του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του εδάφους. Αν υπάρχει κάποια αιχμηρή κατασκευή, το πεδίο κοντά στο έδαφος μπορεί να γίνει τόσο έντονο ώστε να δημιουργηθεί μια ανερχόμενη εκκένωση. Κατά την καλοκαιρινή περίοδο, οι ανερχόμενες εκκενώσεις είναι πολύ περισσότερες από τις κατερχόμενες. Τον υπόλοιπο χρόνο, τα νέφη κινούνται χαμηλότερα, γεγονός που διευκολύνει την εκκένωση προς τη γη πριν ακόμα η διαδικασία φόρτισης του σύννεφου ολοκληρωθεί. Συνεπώς, οι εκκενώσεις μεταξύ των νεφών είναι σπανιότερες από τις εκκενώσεις μεταξύ νέφους- γης. Στο σημείο αυτό θα δώσουμε κάποιους σύντομους ορισμούς για την κεραυνική στάθμη και τις ισοκεραυνικές καμπύλες. Κεραυνική στάθμη ενός συγκεκριμένου τόπου είναι το πλήθος των ημερών καταιγίδας που αντιστοιχούν σε αυτόν κατά τη διάρκεια ενός χρόνου. Ημέρα καταιγίδας χαρακτηρίζεται αυτή κατά την οποία ακούγεται τουλάχιστον μια βροντή. Παρότι ο συγκεκριμένος ορισμός δεν φαίνεται ιδιαίτερα επιστημονικός, παρέχει τη δυνατότητα εκτίμησης του κινδύνου κεραυνοπληξίας στον συγκεκριμένο τόπο. Έτσι, το πλήθος των ανά έτος στατιστικά αναμενόμενων πληγμάτων προς τη γη ανά km 2 επιφάνειας, δίνεται από το 1/5 της κεραυνικής στάθμης. Συνδέοντας τόπους της ίδιας κεραυνικής στάθμης προκύπτουν οι ισοκεραυνικές καμπύλες. [14]

15 Σχήμα 1.3 Παγκόσμιος Χάρτης Ισοκεραυνικών καμπυλών Σχήμα 1.4 Ισοκεραυνικός χάρτης της Ελλάδας [15]

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΚΕΡΑΥΝΙΚΩΝ ΠΛΗΓΜΑΤΩΝ Θερμικές συνέπειες Ο οχετός προεκκένωσης ενός πλήγματος έχει ένα στενό κεντρικό πυρήνα περιβαλλόμενο από ένα μεγαλύτερο σχηματισμό κορόνα. Το ρεύμα που ρέει στον οχετό επιστροφής είναι συγκεντρωμένο κυρίως στον πυρήνα του οχετού, που έχει διάμετρο ένα με δύο εκατοστά και η θερμοκρασία του αγγίζει το λιγότερο τους Κ. Σε τέτοιες θερμοκρασίες προκαλείται ατμοποίηση των υδρατμών που υπάρχουν, δημιουργώντας έτσι τοπικά πυκνώματα και αραιώματα του αέρα, δηλαδή ένα ηχητικό κύμα, που αρχικά βρίσκεται στην περιοχή των υπερήχων, στη συνέχεια όμως καταλήγει σε βροντή. Τα θερμικά αποτελέσματα ενός πλήγματος εξαρτώνται όχι μόνο από το εύρος του ρεύματος αλλά και από τη διάρκεια ροής του. Στη μελέτη ενός συστήματος προστασίας, πρέπει να εξετάζονται οι συνέπειες ενός πλήγματος στην αύξηση της θερμοκρασίας των διάφορων τμημάτων του. Ο κίνδυνος να τρυπηθεί ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο έχει πρακτική σημασία, καθώς μεταλλικά φύλλα χρησιμοποιούνται σαν υλικό οροφής σε κτήρια και στην επιφάνεια αεροσκαφών. Αν ένα μονωτικό υλικό ή ένας «φτωχός» αγωγός πληγεί από κεραυνό, στο σημείο του πλήγματος θα αναπτυχθεί πολύ μεγάλη θερμοκρασία με αποτέλεσμα τη διάτρηση του υλικού ή την ανάφλεξή του. Παρατηρούνται συχνά συντήξεις σε αγωγούς κεραιών και λεπτά χαλύβδινα σύρματα. Εάν το μονωτικό υλικό περιέχει ίχνη υγρασίας, κατά τη διάρκεια του πλήγματος η υγρασία μπορεί, λόγω τη υψηλής θερμοκρασίας, να μετατραπεί σε ατμό και η πίεση που δημιουργείται να προκαλέσει θραύση του υλικού. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται και στα δέντρα, καθώς το περιεχόμενο στο ξύλο νερό υπερθερμαίνεται, ατμοποιείται και λόγω της ταχύτητας εξέλιξης του φαινομένου, αναπτύσσονται υπερπιέσεις, που οδηγούν σε εκρήξεις των δέντρων. Περιστασιακά προκαλούνται και πυρκαγιές σε δάση, κυρίως λόγω κεραυνών με μεγάλο χρόνο ουράς (>40 ms). Σε αμμώδη εδάφη, οι κεραυνοί κατά την πορεία τους προκαλούν σύντηξη της άμμου και προκαλούνται υαλώματα διαφόρων σχημάτων και μεγεθών. Μια άλλα σημαντική θερμική συνέπεια των κεραυνικών πληγμάτων είναι η ανάφλεξη υλικών όπως ξυλείες, αχυρένιες στέγες, εκρηκτικές ύλες ή καυσίμων με μη επαρκή προστασία. [1],[2],[4] [16]

17 Εικόνα 2.1 Δέντρο μετά από κεραυνικό πλήγμα Μηχανικές συνέπειες Οι μηχανικές συνέπειες του κεραυνικού πλήγματος χωρίζονται σε δύο κατηγορίες : α) αυτές που αφορούν το κρουστικό κύμα που παράγεται από τον οχετό επιστροφής, και β) αυτές που αφορούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται σε έναν ή περισσότερους αγωγούς, όταν διαρρέονται από το ρεύμα του κεραυνού. Το κύμα πίεσης, που παράγεται από την πολύ υψηλή θερμοκρασία του οχετού προεκκένωσης (30000 Κ), εκτός από την γνωστή βροντή (όπως αναφέραμε και σε προηγούμενη παράγραφο), ευθύνεται και για το κύμα αέρα που μετακινεί κεραμίδια ορόφων, φαινόμενο συχνό κατά τη διάρκεια ενός άμεσου πλήγματος. Επίσης είναι υπεύθυνο για τον τραυματισμό ανθρώπων. Οι τραυματισμοί διαφέρουν από εκείνους που προκαλούνται από άμεσο ρεύμα υψηλής τάσης, καθώς συνήθως οι τραυματισμοί από κεραυνό δεν προκαλούν σημαντική καταστροφή των ιστών κατά μήκος της διαδρομής της γείωσης του ρεύματος του κεραυνού. Κυρίως δημιουργούν πρόσκαιρες καρδιολογικές και νευρολογικές επιπλοκές ή μικροτραυματισμούς στα αυτιά και επιφανειακά εγκαύματα. Οι συνέπειες που ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία οφείλονται στο γεγονός ότι οι δύο παράλληλοι αγωγοί που μοιράζονται την εκφόρτιση του ρεύματος κεραυνού, υπόκεινται σε ελκτικές δυνάμεις ανάλογες του τετραγώνου της τιμής του ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης. Αυτές οι δυνάμεις είναι υπεύθυνες για τη συγχώνευση πολύκλωνων αγωγών και για τη σύνθλιψη κοίλων αγωγών. [17]

18 2.3 - Ηλεκτρικές συνέπειες Μια συνέπεια του πλήγματος ενός κεραυνού είναι η εσωτερική διάσπαση που μπορεί να συμβεί μεταξύ των αγωγών του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας και εσωτερικών αγώγιμων στοιχείων της κατασκευής, γνωστή και ως «επικίνδυνος σπινθήρας ή side flash». Πιο κάτω παρουσιάζεται το παράδειγμα μια κατοικίας με ένα συλλεκτήριο αγωγό στην καμινάδα, που είναι και το πιο ψηλό σημείο του κτηρίου. Στο εσωτερικό της κατοικίας υπάρχει μια δεξαμενή νερού, η οποία τροφοδοτείται από ένα μεταλλικό σωλήνα, που είναι συνδεδεμένος με έναν δεύτερο μεταλλικό σωλήνα, θαμμένο στο έδαφος. Υποθέτοντας ότι ο συλλεκτήριος αγωγός στην καμινάδα πλήττεται από κεραυνό ρεύματος i, το ρεύμα αυτό θα εκφορτιστεί στη γη, μέσω του αγωγού του ΣΑΠ. Ο δρόμος αυτός παρουσιάζει μια αυτεπαγωγή L και μια αντίσταση γείωσης R. Στην κορυφή λοιπόν του ΣΑΠ παρουσιάζεται διαφορά δυναμικού ως προς τη γη που δίνεται από τον τύπο : u = i R + L [V] (2.1) Σχήμα 2.1 Πλήγμα κεραυνού σε κατοικία με σύστημα προστασίας και δίκτυο σωληνώσεων νερού γειωμένων ανεξάρτητα, όπου φαίνεται ο κίνδυνος της μεταξύ τους διάσπασης. Αν η τάση διάσπασης του διάκενου D, που είναι η απόσταση των αγωγών προστασίας και της δεξαμενής, είναι μικρότερη από την αναπτυσσόμενη τάση u, τότε θα συμβεί εσωτερική διάσπαση μεταξύ των αγωγών, διοχετεύοντας μεγάλο μέρος του κεραυνικού ρεύματος προς τη γη, πιθανά με καταστροφικές συνέπειες. Ο κίνδυνος αυτός ενδέχεται να είχε αποφευχθεί αν το κύκλωμα της δεξαμενής ήταν ισοδυναμικά συνδεδεμένο με το σύστημα προστασίας. [18]

19 Γενικά, ένας σπινθήρας μπορεί να συμβεί όταν το κεραυνικό ρεύμα διαρρέει αγωγούς που σχηματίζουν διακλαδώσεις και βρόχους και η τάση u, που δημιουργείται μεταξύ των αγωγών, είναι μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης των εν λόγω αγωγών.[1] Συνέπειες στις τηλεπικοινωνίες Τα συστήματα τηλεπικοινωνιών είναι ευαίσθητα σε βλάβες από άμεσο πλήγμα κεραυνού στις γραμμές ή στις κεραίες τους. Ανεπιθύμητες επιδράσεις μπορεί να έχουν πάνω σε αυτά και κεραυνοί που πέφτουν σε γειτονικές εγκαταστάσεις. Είναι δυνατό να δημιουργηθούν υπερτάσεις στα δίκτυά τους από πτώση κεραυνού σε κοντινές και πιο συγκεκριμένα παράλληλες ηλεκτρικές γραμμές κατά μήκος των τηλεφωνικών δικτύων. Εικόνα 2.2 Καταστροφή τηλεπικοινωνιακής συσκευής λόγω υπέρτασης από κεραυνικό πλήγμα στις ηλεκτρικές γραμμές Συνέπειες στον άνθρωπο Ένα κεραυνικό πλήγμα έχει σαν επιπτώσεις σημαντικά προβλήματα στην ανθρώπινη ζωή, που κυμαίνονται από μικρά εγκαύματα έως και το θάνατο. Παρότι οι τραυματισμοί από κεραυνό συχνά συγκρίνονται με τους κοινούς τραυματισμούς από το ηλεκτρικό ρεύμα, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην φυσιοπαθολογία και τα πρότυπα του τραύματος. Αρχικά, το επίπεδο της τάσης που δέχεται ο ανθρώπινος οργανισμός όταν τον διαπεράσει η τάση ενός βιομηχανικού δικτύου είναι περίπου 20 kv, την ώρα που ένα κεραυνικό πλήγμα δημιουργεί 300 kv. Σε δεύτερη φάση, η διάρκεια του πλήγματος είναι πολύ μικρότερη. Κατά μέσο όρο, τα ατυχήματα που οφείλονται σε ανθρώπινο δίκτυο διαρκούν περίπου 500ms, μέχρι δηλαδή να λειτουργήσει το σύστημα προστασίας. Από την άλλη, ο κεραυνός διαπερνά το ανθρώπινο σώμα σε μόνο 3 ms. Στα εργατικά ατυχήματα η μεγαλύτερη ζημιά γίνεται κυρίως στα χέρια, τα μπράτσα και τους ώμους, ενώ ο κεραυνός χτυπάει συνήθως το κεφάλι, τους ώμους και τον κορμό. Άμεσα συμπτώματα ενός πλήγματος από κεραυνό είναι η καρδιακή αρρυθμία, η μυοκαρδιακή βλάβη και το πνευμονικό οίδημα. Νευρολογικοί τραυματισμοί, όπως προσωρινή απώλεια αισθήσεων, εγκεφαλικές βλάβες που οδηγούν σε σύντομη απώλεια μνήμης, ακόμα και πλήρη αμνησία, μακροπρόθεσμες νευρολογικές παθήσεις (αλλαγές στην προσωπικότητα, [19]

20 μαθησιακές δυσκολίες, διαταραχές στον ύπνο, κρίσεις επιληψίας), μούδιασμα των άκρων, προσωρινή ή μόνιμη παράλυση, εγκεφαλική διάσειση, πόνος στο τύμπανο των αυτιών, καταρράκτης στα μάτια και οξύς πόνο, είναι ακόμα μερικά από τα συμπτώματα που έχουν παρατηρηθεί σε θύματα κεραυνικών πληγμάτων. Καθώς η ενέργεια του κεραυνού θερμαίνει τον περιβάλλοντα αέρα κατά μερικές χιλιάδες βαθμούς (~28000 o C), προκαλεί εγκαύματα τρίτου βαθμού στα σημεία του σώματος από τα οποία εισέρχεται και εξέρχεται. Ενδέχεται να προκαλέσει και κάποια ιδιαίτερα καψίματα, που ονομάζονται φιγούρες Lichtenberg και οφείλονται στην έκρηξη αιμοφόρων αγγείων. Η μεγάλη θερμότητα ενδέχεται επίσης να σκίσει ή να κάψει τα ρούχα, ενώ έχει παρατηρηθεί ότι το πλήγμα μπορεί ακόμα και να τινάξει τον άνθρωπο έξω από τα παπούτσια του. Δεν είναι όμως μόνο τα εγκαύματα που προκαλούν βλάβες. Ένα κεραυνικό πλήγμα μπορεί να επηρεάσει το ρυθμό της καρδιάς, να προκαλέσει καρδιακή ανακοπή, καταστρέφοντας παράλληλα αιμοφόρα αγγεία και του μύες της καρδιάς. Εικόνες 2.3, 2.4 Εγκαύματα από πλήγμα κεραυνού στον άνθρωπο, φιγούρες Lichtenberg. Ανάλογα με τον τρόπο πτώσης τους, συναντάμε τρεις τύπους κεραυνικών πληγμάτων : Το άμεσο χτύπημα Το πλάγιο χτύπημα (splash) Το χτύπημα στο έδαφος (βηματική τάση) Τα άμεσα πλήγματα, όπως φαίνονται και στο σχήμα 2.5, προκαλούν φυσικά το μέγιστο τραυματισμό, καθώς όλη η ποσότητα του κεραυνικού ρεύματος διαπερνά το ανθρώπινο σώμα ή περνά πάνω από αυτό. Επειδή η διάρκεια της επαφής, κατά το κεραυνικό πλήγμα, είναι σύντομη, συχνά μεταφέρεται μικρή τάση για να σπάσει τη μονωτική δράση του ανθρώπινου δέρματος, και γι αυτό συνήθως η μεγαλύτερη ποσότητα περνά κατά μήκος [20]

21 της επιφάνειάς του σώματος (αυτή η διαδικασία συναντάται στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο «flashover»). Όταν η μεγαλύτερη ποσότητα περάσει απλώς πάνω από το σώμα του πληγέντος, τότε έχουν και τις πιο ανώδυνες συνέπειες. Εικόνα 2.5 Άμεσο χτύπημα κεραυνού Το πλάγιο χτύπημα προκύπτει όταν ο κεραυνός αντικρούεται στο θύμα από την αρχική περιοχή στην οποία έπεσε. Εικόνα 2.6 Πλάγιο χτύπημα κεραυνού. Η τρίτη περίπτωση πλήγματος συμβαίνει όταν ο κεραυνός χτυπάει το έδαφος δίπλα στο θύμα, και αν υπάρχει μια απόσταση μεταξύ των ποδιών του θύματος, η ποσότητα του ρεύματος εισέρχεται στο σώμα από τον ένα πόδι και διαφεύγει από το άλλο. Αυτό είναι γνωστό και ως βηματική τάση. Το μέγεθος του τραυματισμού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως την [21]

22 ένταση του ρεύματος, της τάσης, την τρέχουσα πορεία, τη διάρκεια της επαφής και τη σχέση του σώματος με την αποφόρτιση του ρεύματος. Εικόνα 2.7 Πλάγιο χτύπημα κεραυνού. 2.6 Αναγκαιότητα κατασκευής συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Η απόφαση για την κατασκευή ή όχι ενός Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) βασίζεται από τη μια σε οικονομικά κριτήρια και από την άλλη στην ασφάλεια της ανθρώπινης ζωής, αλλά και στο ανεπανόρθωτο της ζημιάς που είναι πιθανό να συμβεί στις εγκαταστάσεις. Πολύ σημαντικός παράγοντας είναι η πιθανότητα να πληγεί ένα κτήριο από κεραυνό, η οποία εξαρτάται από τις διαστάσεις του κτηρίου και την περιοχή στην οποία βρίσκεται. Κάποια είδη εγκαταστάσεων που χρειάζονται αντικεραυνική προστασία είναι : Κτήρια ή εγκαταστάσεις που προεξέχουν σημαντικά σε ύψος από γειτονικά κτήρια, όπως καμινάδες, καμπαναριά εκκλησιών, τηλεπικοινωνιακοί πυλώνες, ουρανοξύστες και γενικά οτιδήποτε ψηλότερο από 25 μέτρα. Εγκαταστάσεις εκτεθειμένες στην ύπαιθρο ή τη θάλασσα, όπως παρατηρητήρια, φάροι, ερημοκλήσια, εργοστάσια μακριά από αστικά κέντρα, πλοία, αεροπλάνα κτλ. Εγκαταστάσεις βασικών κοινωνικών αναγκών, όπως σταθμοί παραγωγής, υποσταθμοί και δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, αντλιοστάσια και εγκαταστάσεις υδροδότησης, αντλιοστάσια καυσίμων, τηλεπικοινωνιακοί σταθμοί κτλ. Κτήρια μεγάλης ιστορικής ή πνευματικής αξίας, όπως μουσεία, μνημεία, και άλλα κτήρια με ιστορική σημασία. Εγκαταστάσεις μεγάλης οικονομικής αξίας, τόποι συνάθροισης πολλών ατόμων, όπως θέατρα, εκκλησίες, εκθέσεις, γήπεδα, στρατώνες, πολυκαταστήματα κτλ. [22]

23 Κτήρια που στεγάζουν πάνω από 100 άτομα περιορισμένης κινητικότητας, όπως νοσοκομεία, γηροκομεία, φυλακές, παιδικοί σταθμοί κτλ. Εύφλεκτες ή επικίνδυνες εγκαταστάσεις, όπως εργοστάσια χημικών, αποθήκες πυρομαχικών και καυσίμων, πυρηνικά εργοστάσια κτλ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 3.1 Σχεδίαση του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Η θέση και ο τύπος ενός Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) πρέπει να εξεταστούν με πολύ προσοχή κατά το σχεδιασμό μια νέας κατασκευής. Αν εκμεταλλευτούμε τα ηλεκτρικά αγώγιμα μέρη της κατασκευής («φυσικά στοιχεία») διευκολύνουμε το έργο μας στη σχεδίαση και εγκατάσταση μια καινούριας κατασκευής. Είναι προτιμότερο το ΣΑΠ να σχεδιαστεί εξ αρχής και από κοινού με τον αρχιτέκτονα, ώστε το αποτέλεσμα να είναι πιο καλαίσθητο. Χρησιμοποιώντας σωστά κάθε υλικό της οικοδομής που μπορεί να ενσωματωθεί στο ΣΑΠ, αποφεύγουμε την πρόσθετη αγορά υλικών για αγωγούς, μειώνοντας το κόστος και παράλληλα αυξάνοντας το βαθμό προστασίας της κατασκευής. 3.2 Εκτίμηση κινδύνου από την πτώση κεραυνού Για να λάβουμε την απόφαση αν μια κατασκευή χρειάζεται ή όχι αντικεραυνική προστασία, πρέπει να κάνουμε μια μελέτη (ως υπεύθυνοι μηχανικοί μελετητές της εγκατάστασης) λαμβάνοντας υπόψη δύο κύριους παράγοντες, τον κίνδυνο της ανθρώπινης ζωής και τα οικονομικά κριτήρια. Φυσικά πρέπει να αναλογιστούμε και το ανεπανόρθωτο της ζημίας που μπορεί να επιφέρει ένα κεραυνικό πλήγμα σε μια κατασκευή. Έτσι καταλήγουμε ότι τύποι κατασκευών που είναι απαραίτητο να έχουν ΣΑΠ, είναι : Κτήρια με μεγάλη κινητικότητα ανθρώπων. Ιστορικά μνημεία Δεξαμενές αποθήκευσης καυσίμων Βιομηχανίες χημικών και εκρηκτικών υλών. Απομονωμένα κτήρια με μεγάλο ύψος. Κτήρια σε περιοχές με έντονη κεραυνική δραστηριότητα. Ραδιοφωνικοί σταθμοί και ασύρματοι (συνήθως σε κορυφές βουνών) [23]

24 Μια πιο αναλυτική ταξινόμηση των κατασκευών ανάλογα με τη χρήση τους και των κινδύνων που προκύπτουν από ενδεχόμενο κεραυνικό πλήγμα φαίνεται στον πίνακα 3.1 που ακολουθεί. Πίνακας 3.1 Ταξινόμηση κατασκευών και αποτελέσματα από κεραυνικά πλήγματα Για να ληφθεί σωστά η απόφαση, γίνονται κάποιοι υπολογισμοί, που αφορούν τη σύγκριση των δαπανών για την αποκατάσταση μιας ενδεχόμενης ζημιάς λόγω κεραυνικού πλήγματος και των αντίστοιχων για την κατασκευή ΣΑΠ. [24]

25 3.3 Επιλογή της Στάθμης Προστασίας του ΣΑΠ Τα χαρακτηριστικά ενός Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας εξαρτώνται από τα φυσικά χαρακτηριστικά της υπό προστασία κατασκευής και από τη Στάθμη Προστασίας που πρέπει να επιτευχθεί. Η επιθυμητή Στάθμη Προστασίας προκύπτει αξιολογώντας τους κινδύνους που μπορεί να επιφέρει ένα κεραυνικό πλήγμα στην κατασκευή και στα έμβια όντα (άνθρωποι ή ζώα) που βρίσκονται εντός και κοντά σε αυτή. Σύμφωνα με τον ελληνικό κανονισμό ΕΛΟΤ 1107/2002 υπάρχουν τέσσερις στάθμες προστασίας και ανάλογα με την αξιολόγηση του κινδύνου ζημιάς επιλέγεται η κατάλληλη. Η αποτελεσματικότητα μειώνεται πηγαίνοντας από τη στάθμη I στη στάθμη IV, όπως φαίνεται και στους πίνακες που ακολουθούν. Πίνακας Αποτελεσματικότητα ανάλογα με τη στάθμη προστασίας Πίνακας Παράμετροι κεραυνού ανάλογα με τη στάθμη προστασίας. Η επιλογή της κατάλληλης στάθμης προστασίας εξαρτάται από παράγοντες όπως η αναμενόμενη συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων (N d ) στην κατασκευή, η αποδεκτή συχνότητα ζημιών από κεραυνούς (N c ) και τα φυσικά χαρακτηριστικά της κατασκευής όπως προαναφέραμε. [25]

26 3.4 Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μια κατασκευή Η συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων N d, αντιπροσωπεύει το μέσο αριθμό κεραυνών ανά έτος που μπορούν να πλήξουν άμεσα μια κατασκευή και υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο : Nd = N g x A e x C 1 x 10-6 (3.1) Όπου : - N g : Μέσος όρος κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο στην περιοχή που βρίσκεται η κατασκευή. - A e : Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια της κατασκευής σε m 2, που ορίζεται ως μια επίπεδη επιφάνεια εδάφους που έχει την ίδια μέση ετήσια συχνότητα πληγμάτων κεραυνού με την κατασκευή. - C 1 : Περιβαλλοντικός συντελεστής, η επιλογή του οποίου γίνεται με βάση τη θέση της κατασκευής και παίρνει τιμές όπως φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 3.4 Τιμές περιβαλλοντικού συντελεστή σε σχέση με την τοποθεσία κατασκευής. 3.5 Μέση ετήσια πυκνότητα πλήγματος κεραυνού στο έδαφος Η πυκνότητα κεραυνών εκφράζεται σαν ο μέσος όρος κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και έτος και καθορίζεται από ειδικούς χάρτες που δίνουν το N g. Επειδή αυτό το μέγεθος είναι διαθέσιμο για περιορισμένες περιοχές, μπορεί να υπολογιστεί προσεγγιστικά, σύμφωνα με τον τύπο : N g = 0.04 x T d 1.25 (3.2) To T d παριστάνει το πλήθος των ημερών καταιγίδας ανά έτος και δίνεται από συγκεκριμένους χάρτες ισοκεραυνικών καμπυλών. Στην εικόνα που ακολουθεί απεικονίζεται ο χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών για την Ελλάδα. [26]

27 Σχήμα 3.1 Χάρτης ισοκεραυνικών καμπυλών της Ελλάδας 3.6 Ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια Η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια μιας κατασκευής ορίζεται ως μια επίπεδη επιφάνεια εδάφους που έχει την ίδια ετήσια συχνότητα άμεσων πληγμάτων, όπως η κατασκευή. Για απομονωμένες κατασκευές, η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια Ae είναι η επιφάνεια που προκύπτει από την τομή της επιφάνειας του εδάφους και μιας ευθείας γραμμής με κλίση 1/3, η οποία διέρχεται από τα ψηλότερα τμήματα της κατασκευής (εφαπτόμενη σε αυτή) και περιστρεφόμενη γύρω από αυτή, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2. [27]

28 Σχήμα 3.2 Υπολογισμός ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας για απομονωμένες κατασκευές. Η ισοδύναμη επιφάνεια, όσον αφορά απομονωμένες ορθογώνιες κατασκευές, μήκους L, πλάτους W και ύψους H,υπολογίζεται από τον τύπο : Ae = L x W + 6 H (L + W) + 9 π H 2 (3.3) 3.7 Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων Η αποδεκτή συχνότητα κεραυνικών πληγμάτων (N c ) σε μια κατασκευή, εκφράζει τη μέγιστη αποδεκτή συχνότητα πληγμάτων από κεραυνούς ανά έτος, τα οποία είναι επιζήμια για την κατασκευή. Οι τιμές του Nc μπορούν να καθοριστούν από τον ιδιοκτήτη της κατασκευής σε συνεργασία με τον μελετητή του ΣΑΠ και συνεκτιμώντας τους παρακάτω συντελεστές κατά την ανάλυση κινδύνου ζημίας : Τύπος δόμησης Παρουσίας εύφλεκτων ή εκρηκτικών ουσιών Ληφθέντα μέτρα για τη μείωση των επιπτώσεων του πλήγματος Πλήθος των ανθρώπων που εκτίθενται σε κίνδυνο. Τύπος και σπουδαιότητα των υπηρεσιών εξυπηρέτησης του κοινού Αξία των αγαθών που ενδεχομένως να πάθουν ζημιά [28]

29 Σε ορισμένες περιπτώσεις οι τιμές του Nc ορίζονται από τοπικούς οργανισμούς. Κάποια τυποποιημένα παραδείγματα των παραπάνω συντελεστών δίνονται στους πίνακες του προτύπου ΕΛΟΤ Οι τιμές του Nc για διάφορους τύπους κατασκευών στη χώρα μας παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί. Κωδικοποίηση κατασκευών Τύπος κατασκευών Nc Κατοικίες Κοινές κατασκευές Αγροκτήματα Θέατρο Σχολείο Κατάστημα Γυμναστήριο Τράπεζα Εμπορική εταιρία Ασφαλιστική εταιρία Νοσοκομείο Φυλακές Κατασκευές με περιορισμένους Κινδύνους Κατασκευές με κίνδυνο για το γειτονικό χώρο Κατασκευές με μεγάλο περιβαλλοντικό κίνδυνο Βιομηχανικά Συγκροτήματα Μουσεία Αρχαιολογικοί χώροι Τηλεπικοινωνίες Εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού με κίνδυνο πυρκαγιάς Διυλιστήρια Αποθήκες καυσίμων και Πυρομαχικών Χημικά ή πυρηνικά εργοστάσια Βιοχημικά εργαστήρια Πίνακας Ταξινόμηση κατασκευών και αριθμός αποδεκτών κεραυνικών πληγμάτων σε αυτές. 3.8 Διαδικασία Επιλογής Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Αφού καταλήξουμε στην τιμή για την αποδεκτή συχνότητα ζημιών από κεραυνικά πλήγματα σε μια κατασκευή (N c ), κάνουμε μια σύγκριση με την αναμενόμενη συχνότητα απευθείας πληγμάτων από κεραυνούς (N d ) στην κατασκευή ώστε να αποφασίσουμε πότε είναι απαραίτητη η εγκατάσταση ΣΑΠ και να επιλέξουμε την κατάλληλη στάθμη προστασίας. Εάν Nd Nc, η κατασκευή δε χρειάζεται προστασία. Εάν Nd > Nc, τότε πρέπει να εγκατασταθεί ΣΑΠ με αποτελεσματικότητα : Ε 1 Nc/Nd. [29]

30 Η κατάλληλη στάθμη προστασίας επιλέγεται ως εξής : Ε > 0,98 Στάθμη προστασίας Ι και επιπλέον προστατευτικά μέτρα 0,95 < Ε < 0,98 Στάθμη προστασίας Ι 0,90 < Ε < 0,95 Στάθμη προστασίας ΙΙ 0,80 < Ε < 0,90 Στάθμη προστασίας ΙΙΙ 0 < Ε < 0,80 Στάθμη προστασίας ΙV Ε < 0 Δεν χρειάζεται προστασία. Εάν εγκατασταθεί ΣΑΠ αποτελεσματικότητας Ε' μικρότερης από Ε, πρέπει να ληφθούν επιπλέον μέτρα όπως: - μέτρα περιορισμού των βηματικών και τάσεων επαφής - μέτρα περιορισμού της διάδοσης φωτιάς - μέτρα μείωσης των επαγόμενων τάσεων λόγω κεραυνών σε ευαίσθητες συσκευές 3.9 Σχεδίαση συστήματος αντικεραυνικής προστασίας Κατά τη σχεδίαση ενός ΣΑΠ, η προς μελέτη εγκατάσταση μπορεί να χωριστεί σε ζώνες, στις οποίες οριοθετούνται σημαντικές αλλαγές των ηλεκτρομαγνητικών συνθηκών. Στη συνέχεια, εξετάζεται επί μέρους η κάθε ζώνη και, ανάλογα με τη μέθοδο και τη στάθμη προστασίας που επιλέγουμε, γίνεται ο σχεδιασμός της εξωτερικής εγκατάστασης αντικεραυνικής προστασίας και έπειτα της εσωτερικής. Οι Ζώνες Αντικεραυνικής Προστασίας (ΖΑΠ) οριοθετούνται ως: ΖΑΠ 0Α: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα ΖΑΠ 0Β: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα ΖΑΠ 0Γ: ζώνη που περιέχει στοιχεία της κατασκευής μη εκτεθειμένα σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα και όπου το τμήμα του ρεύματος του κεραυνού που μπορεί να τα διαρρεύσει είναι περιορισμένο σε σχέση με τη ΖΑΠ 0Β. Ακόλουθες Ζώνες (ΖΑΠ 1,2...): ζώνες όπου απαιτείται περαιτέρω μείωση του ρεύματος του κεραυνού σε σχέση με την αμέσως προηγούμενη ΖΑΠ. [30]

31 3.9.1 Εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας Η εξωτερική εγκατάσταση αντικεραυνικής προστασίας έχει σαν προορισμό να συλλαμβάνει τους άμεσους κεραυνούς πριν προλάβουν να προκαλέσουν ζημιές στην κατασκευή, να διοχετεύει το κεραυνικό ρεύμα από το σημείο του πλήγματος και να το διαχέει στο έδαφος χωρίς να προκαλούνται θερμικές ή μηχανικές ζημιές στην κατασκευή, αλλά και επικίνδυνες υπερτάσεις για τους ανθρώπους που βρίσκονται μέσα ή γύρω από αυτή. Η εξωτερική εγκατάσταση αποτελείται από : Το συλλεκτήριο σύστημα, με σκοπό να δέχεται τους κεραυνούς Τους αγωγούς καθόδου, οι οποίοι διοχετεύουν το κεραυνικό ρεύμα από το συλλεκτήριο σύστημα στο σύστημα γείωσης Το σύστημα γείωσης, που δέχεται το ρεύμα και το διαχέει στο έδαφος. Σχήμα Εξωτερικό Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας Συλλεκτήριο σύστημα Το συλλεκτήριο σύστημα αποτελεί το πρώτο μέρος ενός ΣΑΠ, και έχει σαν σκοπό να συλλαμβάνει τα πλήγματα, προφυλάσσοντας την κατασκευή. Ένα τέτοιο σύστημα κρίνεται ως επιτυχές, εάν μπορεί να δώσει έγκαιρα συνδετικό οχετό αντίθετης φοράς, ώστε ο κεραυνός να πλήξει τη διάταξη και στη συνέχεια το ρεύμα να οδηγηθεί με ασφάλεια προς τη γη. Η σχεδίαση του συλλεκτηρίου συστήματος εξαρτάται, τόσο από τη γεωμετρία και το μέγεθος, όσο και από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας [31]

32 της υπό μελέτη κατασκευής. Υπάρχει πάντα το πρόβλημα ότι η απόσταση, μέσα στην οποία ένας απαγωγέας κεραυνών οποιουδήποτε σχήματος μπορεί να συλλάβει ένα πλήγμα, δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται κυρίως από την ένταση του ρεύματος του κεραυνού. Άρα ο μόνος τρόπος για να συλληφθούν όλα τα πλήγματα είναι η τοποθέτηση των αγωγών πολύ κοντά μεταξύ τους, γεγονός που μπορεί να αποβεί αντιοικονομικό ή και ακαλαίσθητο. Γι αυτό πάντα επιδιώκεται η βέλτιστη λύση, λαμβάνοντας ακόμα υπόψη ότι ένα πλήγμα που θα παρακάμψει το σύστημα προστασίας δεν έχει συνήθως μεγάλη ένταση, και συνεπώς η ζημιά που θα προκαλέσει θα είναι πολύ μικρή. Οι μεταλλικές οροφές που έχουν ορισμένα κτήρια μπορούν να ενσωματωθούν στο σύστημα προστασίας, αν εξασφαλισθεί η ηλεκτρική σύνδεσή τους σε κανονικά διαστήματα, με βίδες ή κάποια άλλη ισοδύναμη μέθοδο. Σε τέτοιες περιπτώσεις βέβαια, δε θα μπορούσαν να αποφευχθούν οι σπινθηρισμοί, γεγονός που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν υπάρχουν εύφλεκτα υλικά. Στους συλλεκτήριους αγωγούς πρέπει να συνδέονται όλα τα εξωτερικά μεταλλικά στοιχεία της κατασκευής, όπως επίσης και τα εσωτερικά εφόσον υπάρχει κίνδυνος side flash. Ο προσδιορισμός της περιοχής προστασίας σύμφωνα με τα πρότυπα IEC 1024 γίνεται με τρεις ισοδύναμους τρόπους : a) Με τη μέθοδο της γωνίας προστασίας b) Με τη μέθοδο της κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας r b. c) Με τη μέθοδο του κλωβού ανοίγματος α. α) Μέθοδος της γωνίας προστασίας Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται σε απλές κατασκευές ύψους h που δεν ξεπερνά την ακτίνα κυλιόμενης σφαίρας R. Η ημιγωνία προστασίας λαμβάνει τιμές όπως φαίνεται στον πίνακα 3.6 και εξαρτάται από την απαιτούμενη στάθμη προστασίας και από το ύψος h πάνω από την προς προστασία επιφάνεια. Στάθμη προστασίας rb (m) Άνοιγμα βρόχου (m) Γωνία προστασίας φ( ο ) για διάφορα ύψη h της συλλεκτήριας εγκατάστασης h=20(m) I II III IV Πίνακας 3.6 [32]

33 Ανάλογα με τη γεωμετρία της κατασκευής, το ύψος h μπορεί να είναι ίσο με το φυσικό μήκος της κατακόρυφης ράβδου ή ίσο με το άθροισμα αυτού και του ύψους της κατασκευής όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4 Σχήμα.3.4 Μέθοδος γωνίας προστασίας ανάλογα με το ύψος του συλλεκτηρίου αγωγού από μια επιφάνεια.[11] H: ύψος κτιρίου από την επιφάνεια του εδάφους h1: ύψος συλλεκτηρίου ράβδου h2: ύψος συλλεκτηρίου ράβδου από την επιφάνεια του εδάφους = Η+Μ α1, α2: γωνία προστασίας ανάλογα με το ύψος από την υπό προστασία επιφάνεια h1, h2 αντίστοιχα. Β) Μέθοδος της κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας r b Υπάρχει μια βασική αρχή με την οποία προσδιορίζεται η περιοχή προστασίας : Η οδηγός εκκένωση μπορεί να προσεγγίσει γειωμένα αντικείμενα από οποιαδήποτε κατεύθυνση, άρα και οριζόντια. Όταν μια εκκένωση πλησιάσει αυτά τα αντικείμενα σε μια συγκεκριμένη απόσταση, τότε ο κεραυνός θα πλήξει το πλησιέστερο σημείο. Αυτή η απόσταση ορίζεται ως ακτίνα της κεραυνικής (ή κυλιόμενης) σφαίρας. Η ακτίνα αυτής της σφαίρας κυμαίνεται από 20m έως 60m, όπως φαίνεται και στον πίνακα 3.6. Η σφαίρα κατά την κύλισή της, σε όλες τις κατευθύνσεις περιμετρικά του κτηρίου, πρέπει να εφάπτεται μόνο στο έδαφος ή στο συλλεκτήριο σύστημα. Όσα σημεία δεν αγγίζει η σφαίρα είναι προστατευμένα. Αν κάποια τμήματα του κτηρίου εφάπτονται στη σφαίρα, τότε απαιτείται επέκταση του ΣΑΠ και στα τμήματα αυτά. Σε περίπτωση που το ύψος του κτηρίου είναι μεγαλύτερο από την ακτίνα της σφαίρας τότε πρέπει να επεκτείνουμε το συλλεκτήριο σύστημα και στις πλάγιες επιφάνειες του κτηρίου. [33]

34 Σχήμα 3.5 Παράδειγμα μεθόδου κυλιόμενης σφαίρας ακτίνας r. γ) Με την μέθοδο του κλωβού ανοίγματος α Κατά την εφαρμογή της συγκεκριμένης μεθόδου, το υπό μελέτη κτήριο χωρίζεται σε τμήματα και ανάλογα με τη στάθμη προστασίας επιλέγονται οι διαστάσεις του πλέγματος των συλλεκτήριων αγωγών. Η τοποθέτηση τους ξεκινάει περιμετρικά του κτηρίου και καταλήγει στο κέντρο του, δημιουργώντας έτσι ένα μεταλλικό κλωβό με ανοίγματα διαστάσεων α, που προστατεύει την περιοχή στο εσωτερικό του. Η αποστάσεις μεταξύ των αγωγών προκαθορίζονται από τη στάθμη προστασίας που απαιτείται. Σχήμα Μέθοδος κλωβού με άνοιγμα «α» ανάλογα με την Στάθμη Προστασίας [11] [34]

35 3.9.3 Αγωγοί καθόδου Το σύστημα των αγωγών καθόδου αποτελεί το δεύτερο μέρος του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας και έχει σκοπό να μεταφέρει το κεραυνικό ρεύμα, που συλλαμβάνεται από τους συλλεκτήριους αγωγούς, μέσω του συντομότερου δρόμου στο σύστημα γείωσης, όπου και εκφορτίζεται. Οι αγωγοί καθόδου χαρακτηρίζονται από μια επαγωγική αντίσταση που ευθύνεται για την εμφάνιση υπερτάσεων μεταξύ του συλλεκτηρίου συστήματος και του συστήματος γείωσης. Αυτές οι υπερτάσεις είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση επικίνδυνων σπινθήρων (side flashes), και γι αυτό προσπαθούμε να τις περιορίσουμε μειώνοντας τον δρόμο μεταφοράς του κεραυνικού ρεύματος, συνεπώς και της επαγωγικής αντίστασης. Η τοποθέτηση των αγωγών πρέπει να γίνεται περιμετρικά του κτηρίου, συμμετρικά και με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχουν αρκετοί παράλληλοι και συνεχείς δρόμοι κεραυνικού ρεύματος. Σε κάθε περίπτωση, πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον 2 αγωγοί καθόδου. Καθώς υπάρχει το ενδεχόμενο να καταστραφεί ο ένας, από διάφορα αίτια, πρέπει να υπάρχει εναλλακτικός δρόμος εκφόρτισης του κεραυνικού ρεύματος. Οι αγωγοί καθόδου, πρέπει να εφάπτονται στους τοίχους και να στερεώνονται καλά, ώστε οι μηχανικές επιδράσεις του κεραυνικού ρεύματος να μην προκαλούν θραύση ή χαλάρωση. Δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να εφάπτονται σε υδρορροές, καθώς η υγρασία επιταχύνει τη διάβρωσή τους. Ο αριθμός των συνδέσεων κατά μήκος των αγωγών πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός, και να γίνονται ισοδυναμικές συνδέσεις όπου κρίνεται αναγκαίο. Οι μεταλλικές εγκαταστάσεις του κτηρίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν «φυσικοί αγωγοί» καθόδου, ο μεταλλικός σκελετός, ο ενδοσυνδεδεμένος χαλύβδινος οπλισμός του σκυροδέματος, με την προϋπόθεση ότι η ηλεκτρική συνέχεια μεταξύ των διαφόρων τμημάτων είναι αξιόπιστη και οι διαστάσεις είναι τουλάχιστον ίσες με αυτές που καθορίζονται για τους τυποποιημένους αγωγούς καθόδου. Τα φυσικά στοιχεία πρέπει να χρησιμοποιούνται σαν επιπλέον αγωγοί καθόδου του συστήματος κι όχι σαν αποκλειστικοί. Ο λόγος είναι ότι κατά τη διάρκεια ζωής του έργου τμήματά τους ενδεχομένως να αντικατασταθούν με άλλα, μη αγώγιμα, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει συνέχεια στο σύστημα προστασίας. Οι αγωγοί καθόδου πρέπει να είναι ευθείς και κατακόρυφοι, ώστε η διαδρομή προς τη γη να είναι συντομότερη και η όδευση του ρεύματος πιο άμεση. Πρέπει επίσης να αποφεύγεται ο σχηματισμός βρόχων και χρειάζεται προσοχή όταν ο αγωγός καθόδου περιβάλλει μια προεξοχή του κτηρίου, όπου πιθανόν να βρεθεί κάποιος άνθρωπος, καθώς το κεραυνικό ρεύμα μπορεί να δημιουργήσει οδό διαμέσου του ανθρώπου με ανεπιθύμητες συνέπειες. Για να αποφεύγονται τέτοιοι κίνδυνοι, σύμφωνα με τον κανονισμό IEC , ο αγωγός πρέπει να είναι εσωτερικός του κτηρίου και η απόσταση να δίνεται από την σχέση : d > s, όπου s = ελάχιστη απόσταση ασφαλείας για την απομόνωση του εξωτερικού ΣΑΠ και 2,5 είναι το μέσο ύψος ενός ανθρώπου με τα χέρια σε ανάταση. [35]

36 Σχήμα Κίνδυνος δημιουργίας σπινθήρα μεταξύ ανθρώπου και αγωγού καθόδου [11] Στάθμη προστασίας Τυπικές αποστάσεις (m) I 10 II 15 ΙΙΙ 20 IV 25 Πίνακας Το κύκλωμα γείωσης Το τελευταίο τμήμα της εξωτερικής εγκατάστασης του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας είναι το κύκλωμα γείωσης. Ο όρος περιγράφει την αγώγιμη σύνδεση ενός κυκλώματος ή ενός μη ρευματοφόρου αντικειμένου κάποιας εγκατάστασης με το έδαφος, ώστε να αποκτήσουν δυναμικό θεωρητικά μηδέν, όπως η γη. Σκοπός της είναι να εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία και ακεραιότητα του εξοπλισμού, εκφορτίζοντας το ρεύμα ενός πλήγματος μέσα στη γη, διαμέσου ενός μεταλλικού μέρους, του ηλεκτροδίου γείωσης, το οποίο είναι θαμμένο στο έδαφος. Προστατεύει επίσης από ηλεκτροπληξία, άτομα που δουλεύουν ή κινούνται στον περιβάλλοντα χώρο. Η αντίσταση γείωσης ενός ηλεκτροδίου είναι η ωμική αντίσταση του περιβάλλοντος εδάφους και όχι κάποια επιφανειακή αντίσταση του ηλεκτροδίου. Για ένα δεδομένο ρεύμα κεραυνού, είναι ο λόγος της διαφοράς δυναμικού μεταξύ ενός σημείου του ηλεκτροδίου και ενός σημείου του εδάφους (σε Volts) προς το ρεύμα εκκένωσης (σε Amperes). Η τιμή της [36]

37 αντίστασης γείωσης εξαρτάται κυρίως από την έκταση που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόδια και λιγότερο από την επιφάνειά τους. Ανάλογα με τον τύπο του εδάφους η ειδική αντίσταση ποικίλει, μερικές ενδεικτικές τιμές της οποίας παρουσιάζονται στον πίνακα 3.7, σύμφωνα με τον κανονισμό. Τύπος εδάφους Ειδική αντίσταση ρ (Ω m) Ελώδες έδαφος 30 Αργιλώδες, πηλώδες ή 100 αγρού Υγρή άμμος 200 Υγρά χαλίκια 500 Ξηρή άμμος, 1000 Πετρώδες και ξηρά χαλίκια 3000 Πίνακας 3.8 Ειδικές αντιστάσεις ανάλογα με τον τύπο του εδάφους. Άλλοι παράγοντες που παίζουν ρόλο είναι η κυματομορφή, το σημείο έκχυσης του ρεύματος και η ανάπτυξη ή όχι του εδάφους. Ο ιονισμός του εδάφους είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό πεδίο στην πλευρική επιφάνεια των ηλεκτροδίων γείωσης ξεπερνάει το πεδίο ιονισμού του εδάφους. Όταν ρεύματα υψηλής έντασης οδηγούνται μέσω του συστήματος γείωσης στη γη, η μελέτη του φαινομένου αυτού είναι απαραίτητη για κάθε μοντέλο που προσομοιώνει ένα σύστημα γείωσης σε μεταβατικές συνθήκες Είδη γειώσεων Ανάλογα με τη χρήση τους, υπάρχουν τρία είδη γειώσεων Γείωση λειτουργίας : είναι η γείωση ενός σημείου ενός ενεργού κυκλώματος, όπως για παράδειγμα η γείωση του ουδετέρου ενός μετασχηματιστή και η γείωση του ουδέτερου αγωγού του συστήματος. Έμμεση γείωση λειτουργίας ονομάζεται η γείωση που έχει επιπλέον ωμικές αντιστάσεις, αυτεπαγωγές ή και χωρητικές, και άμεση όταν περιλαμβάνει μόνο την αντίσταση γείωσης. Γείωση προστασίας : είναι η γείωση ενός μεταλλικού μέρους που δεν είναι στοιχείο ενεργού κυκλώματος, όπως για παράδειγμα η γείωση του περιβλήματος μιας ηλεκτρικής συσκευής (π.χ. ενός Μ/Σ), που σκοπό έχει να προστατεύσει τον άνθρωπο από τάσεις επαφής. Είναι πάντα συνεχής, δηλαδή δεν παρεμβάλλονται αντιστάσεις ή διάκενα. Γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας : είναι η σύνδεση των αντικεραυνικών εγκαταστάσεων προστασίας με τη γη, έτσι ώστε να διοχετεύονται τα κρουστικά ρεύματα κεραυνού σε αυτή. Δε συνίσταται να είναι ανοιχτή, αλλά συνεχής γείωση, και έχει απώτερο [37]

38 σκοπό την προστασία ανθρώπων και εγκαταστάσεων στο συγκεκριμένο χώρο. Σχήμα Τα τρία είδη γειώσεων, λειτουργίας, προστασίας και γείωσης του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας για απαγωγή των κεραυνών Τύποι ηλεκτροδίων γείωσης Τα κυριότερα είδη γειωτών παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα Είδη γειωτών [1] [38]

39 Οι πιο συνηθισμένοι τύποι γειωτών είναι οι ράβδοι γείωσης ή σωλήνες, ταινίες ή σύρματα γείωσης, πλάκες γείωσης, ακτινικοί γειωτές, πλέγματα και τέλος η θεμελιακή γείωση. Η τελευταία κρίνεται ως η καλύτερη, πλεονεκτώντας σε σχέση με τους υπόλοιπους τύπους γειωτών όσον αφορά την χαμηλή αντίσταση γείωσης, τη σταθερή τιμή της παρά την αλλαγή των εποχών, την αντοχή στη διάβρωση, την έλλειψη βηματικών τάσεων κ.ά. Τοποθετείται στα θεμέλια της κατασκευής και η εφαρμογή της είναι υποχρεωτική σε κάθε καινούρια οικοδομή, μετά το 2006, σύμφωνα με τον κανονισμό. Σχήμα 3.10 Λεπτομέρειες θεμελιακών γειώσεων. [39]

40 Πίνακας 3.9 Τύποι για αντιστάσεις ηλεκτροδίων γείωσης. [40]

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΤΙΚΕΡΑΥΝΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΤΗΡΙΑΚΟΥ ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 Περιγραφή του υπό μελέτη κτηριακού συγκροτήματος Η συγκεκριμένη κτηριακή κατασκευή που πρόκειται να μελετηθεί βρίσκεται στο Νομό Αχαΐας και πιο συγκεκριμένα στην θέση Ροδιά της τοπικής κοινότητας Μπάλα, στους πρόποδες του Παναχαϊκού όρους. Είναι χτισμένη σε υψόμετρο περίπου 375 μέτρων, εκτός του σχεδίου πόλεως και σχετικά απομακρυσμένη από οικισμό. Εικόνα 4.1 Τοποθεσία της υπό μελέτη κατασκευής [41]

42 Σχήμα 4.2 Κάτοψη στέγης της υπό μελέτη κατασκευής. Σχήμα 4.3 Βόρεια όψη της κατασκευής [42]

43 Σχήμα 4.4 Νότια όψη της κατασκευής. Πραγματοποιώντας μια εκτίμηση του κινδύνου ζημίας στη συγκεκριμένη κατασκευή, συμπεραίνουμε ότι μετά από πτώσεις κεραυνών στην περιοχή, παρουσιάζονται ζημιές στον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό της κατοικίας και άλλες απώλειες παροχών στους κατοίκους του κτηρίου. Εφόσον στη συγκεκριμένη περίπτωση, οι επιπτώσεις κεραυνικού πλήγματος δεν περιλαμβάνουν κίνδυνο για την ανθρώπινη ζωή ή περιβαλλοντικές απώλειες, αποφασίστηκε ότι η σχεδίαση του Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας της κατασκευής θα βασιστεί καθαρά στα οικονομικά κριτήρια. [43]

44 Σχήμα 4.5 Ανατολική όψη της κατασκευής [44]

45 Σχήμα 4.6 Δυτική όψη της κατασκευής [45]

46 4.2 Μελέτη της κατασκευής Υπολογισμός ισοδύναμης συλλεκτήριας επιφάνειας Από τα σχέδια παρατηρούμε ότι για την κατασκευή ισχύει : Μέγιστο μήκος (L) = m Μέγιστο πλάτος (W) = 9.95 m Μέγιστο ύψος (H) = 8.40 m Αντικαθιστώντας τα μεγέθη στον τύπο : A e = L W + 6 H (L + W) + 9π Η 2 (4.1) προκύπτει ότι η ισοδύναμη συλλεκτήρια επιφάνεια είναι 0,0034 km Μέση ετήσια πυκνότητα πλήγματος κεραυνού στο έδαφος, N g. Ο υπολογισμός του μέσου όρου κεραυνικών πληγμάτων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά έτος προσδιορίζεται με βάση τους χάρτες ισοκεραυνικών καμπυλών μιας περιοχής. Σύμφωνα με τον ισοκεραυνικό χάρτη της Ελλάδας (σχήμα 3.1) οι ημέρες καταιγίδας για την περιοχή της Αχαΐας είναι 30. Άρα, σύμφωνα με τον τύπο 3.2 υπολογίζουμε ότι : Ng = = 2.81 κεραυνικά πλήγματα ανά km 2 ανά έτος Αποδεκτή συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων, N c. Σύμφωνα με τους κανονισμούς, για συμβατικές κατασκευές και ειδικά για κατοικίες, ο αποδεκτός αριθμός είναι 5 κεραυνικά πλήγματα ανά 1000 χρόνια, άρα N c = Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων, N d. Αναφερόμαστε στον μέσο αριθμό των κεραυνών που μπορεί να πλήξουν άμεσα μια κατασκευή ανά έτος, Nd, τον οποίο υπολογίζουμε σύμφωνα με τον τύπο : N d = N g A e C e (4.2) όπου ο συντελεστής περιβάλλοντος C e επιλέγεται από τον πίνακα 3.4 ίσος με 1, το οποίο ισχύει για απομονωμένες κατασκευές. Άρα N d = = πλήγματα / έτος Επιλογή στάθμης προστασίας Μετά τον υπολογισμό των Nc και Nd κάνουμε σύγκριση μεταξύ των τιμών τους ώστε να καταλήξουμε στην απαιτούμενη στάθμη προστασίας. Υπολογίζουμε ότι : E = 1 N c /N d = = 0.48 [46]

47 Συνεπώς, όπως προαναφέραμε και στην παράγραφο 3.8, για 0 < Ε < 0,8, επιλέγουμε στάθμη προστασίας IV. 4.3 Σχεδιασμός ΣΑΠ Αφού προσδιορίσαμε τη στάθμη προστασίας, εν συνεχεία κάνουμε τη μελέτη για την εγκατάσταση της εξωτερικής αντικεραυνικής προστασίας. Όπως έχει προαναφερθεί, τα τμήματα που συνθέτουν την εξωτερική εγκατάσταση είναι το συλλεκτήριο σύστημα, οι αγωγοί καθόδου και το σύστημα γείωσης. Στις επόμενες παραγράφους, βασιζόμενος στους διεθνείς κανονισμούς σχεδίασης, ακολουθεί ο υπολογισμός των απαραίτητων παραμέτρων, κατάλληλων υλικών και τα σχέδια των επιμέρους τμημάτων του ΣΑΠ Σχεδίαση συλλεκτηρίου συστήματος Βασιζόμενοι στη μέθοδο κλωβού ανοίγματος α, που για την περίπτωση μας λαμβάνεται ίσο με 20 μέτρα, προσδιορίσαμε την περιοχή προστασίας. Η τοποθέτηση των αγωγών αρχίζει από την περίμετρο του κτηρίου και καταλήγει στο κέντρο του. Έτσι δημιουργείται ένας μεταλλικός κλωβός με ανοίγματα διαστάσεων μικρότερων του α, προστατεύοντας οτιδήποτε βρίσκεται στο εσωτερικό του. Για την κατασκευή του μεταλλικού κλωβού επιλέχθηκαν μονόκλωνοι αγωγοί κυκλικής διατομής Φ-8mm από καθαρό ηλεκτρολυτικό χαλκό. Χρησιμοποιώντας ειδικά στηρίγματα ανά δύο μέτρα περίπου, στερεώνουμε τους αγωγούς στα κεραμίδια. Σχήμα 4.7 Στήριγμα αγωγού Σχεδίαση αγωγών καθόδου Σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ 1197, οι αγωγοί καθόδου πρέπει να τοποθετούνται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχουν αρκετοί παράλληλοι δρόμοι ροής του κεραυνικού ρεύματος από το σημείο του πλήγματος μέχρι τη γη και ταυτόχρονα το μήκος των δρόμων αυτών να είναι το μικρότερο δυνατό. Ακόμα, προς αποφυγή σχηματισμού βρόχων είναι θεμιτό οι αγωγοί να τοποθετούνται ευθείς και κατακόρυφοι. Βασιζόμενοι σε αυτά τα κριτήρια και μελετώντας το σχέδιο του κτηρίου επιλέξαμε τα δύο καταλληλότερα σημεία για την τοποθέτηση των αγωγών καθόδου, όπως φαίνονται στα σχήματα 4.11 και Η μεταξύ τους [47]

48 απόσταση είναι πάνω από 10 μέτρα αλλά μικρότερη από 25, γεγονός που πληροί τους κανονισμούς. Είναι ευθείς, κατακόρυφοι και διέρχονται από σημεία όπου δεν είναι άμεση η πρόσβαση με το κοινό. Για την κατασκευή των καθοδικών αγωγών χρησιμοποιήσαμε τον ίδιο τύπο χάλκινου αγωγού με το συλλεκτήριο σύστημα, δηλαδή μονόκλωνο, κυκλικής διατομής Φ-8 mm. Για τη στήριξή τους στους εξωτερικούς τοίχους και τη σύνδεσή τους με το συλλεκτήριο σύστημα χρησιμοποιήθηκαν ειδικοί σφιγκτήρες και χαλύβδινα στηρίγματα. Στα σχέδια που ακολουθούν απεικονίζονται οι αγωγοί που απαρτίζουν το συλλεκτήριο σύστημα καθώς και οι αγωγοί καθόδου του ΣΑΠ για το υπό μελέτη κτήριο. Σχήμα Κάτοψη κτηρίου, με μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι συλλεκτήριοι αγωγοί. [48]

49 Σχήμα Βόρεια όψη του κτηρίου, μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι συλλεκτήριοι αγωγοί. Σχήμα Νότια όψη του κτηρίου, με μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι συλλεκτήριοι αγωγοί. [49]

50 Σχήμα Ανατολική όψη του κτηρίου, με μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι συλλεκτήριοι αγωγοί, ενώ με μπλε χρώμα οι αγωγοί καθόδου. [50]

51 Σχήμα Δυτική όψη του κτηρίου, με μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι συλλεκτήριοι αγωγοί, ενώ με μπλε χρώμα οι αγωγοί καθόδου [51]

52 4.3.3 Σχεδίαση συστήματος γείωσης Αυτό είναι το τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό μέρος του εξωτερικού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Η ειδική αντίσταση του εδάφους που περιβάλλει τη γείωση είναι βασική παράμετρος της μεταβατικής συμπεριφοράς της γι αυτό και οι υπολογισμοί ξεκινούν από αυτό. Ο τύπος του εδάφους πάνω στο οποίο βρίσκεται το υπό μελέτη κτήριο ανήκει στην συνομοταξία αργιλώδες, πηλώδες ή αγρού, σύμφωνα με τον πίνακα 3.7 και η ειδική του αντίσταση είναι ρ = 100 Ωm. Εν συνεχεία προχωράμε στον προσδιορισμό της αντίστασης γείωσης, η οποία πρέπει να είναι μικρότερη από 10 Ωm, σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας θέλουμε να δοκιμάσουμε δύο διαφορετικά μοντέλα συστήματος γείωσης, ώστε να δούμε ποιο είναι πιο αποδοτικό στην περίπτωσή μας. Μετά από έρευνα καταλήγουμε στα εξής : Παράλληλος συνδυασμός οριζόντιας ταινίας θαμμένης στο έδαφος με ένα κατακόρυφο ηλεκτρόδιο επίσης θαμμένο στο έδαφος. Περιμετρική γείωση, δηλαδή οριζόντια ταινία σε βρόγχο περιμετρικά του κτηρίου, θαμμένη στο έδαφος Παράλληλος συνδυασμός οριζόντιας ταινίας με κατακόρυφο ηλεκτρόδιο Σύμφωνα με τον πίνακα 3.8, οι τύποι από τους οποίους προκύπτει η αντίσταση γείωσης είναι οι εξής : για ταινία θαμμένη στο έδαφος, όπου : ρ = ειδική αντίσταση του εδάφους L = μήκος ταινίας d = διάμετρος ταινίας α = βάθος ενταφιασμού και για κατακόρυφο ηλεκτρόδιο θαμμένο στο έδαφος : (4.3) όπου : ρ = ειδική αντίσταση του εδάφους L = μήκος ηλεκτροδίου d = διάμετρος ηλεκτροδίου h = βάθος ενταφιασμού (4.4) [52]

53 Ο συγκεκριμένος συνδυασμός θα συνδέεται σε κάθε αγωγό καθόδου, σε σημείο 1 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους και σε απόσταση 1 m από τον πλησιέστερο τοίχο, σύμφωνα με τους κανονισμούς. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι κατακόρυφη χαλύβδινη επιψευδαργυρωμένη ράβδος γείωσης με διάμετρο Φ = 20mm και μήκος 2 μέτρα, και χάλκινη ταινία μήκους 4 μέτρων και ισοδύναμη διάμετρο 30 mm. Με βάση τον τύπο 4.3 και αφού προσδιορίσαμε τις απαραίτητες παραμέτρους, προχωράμε στον υπολογισμό της αντίστασης γείωσης της ταινίας. Για : ρ = 100 Ωm L = 4 m d = 0.03 m α = 1 m και αντικαθιστώντας στον τύπο 4.3., προκύπτει ότι R = 22,57 Ωm. Αντίστοιχα, υπολογίζουμε την αντίσταση γείωσης του κατακόρυφου ηλεκτροδίου, για : ρ = 100 Ωm L = 2 m d = 0.02 m h = 1 m και αντικαθιστώντας στον τύπο 4.4, προκύπτει ότι R = 30,16 Ωm. Ο παράλληλος συνδυασμός της ταινίας και του ηλεκτροδίου δίνει συνολικά : R = R // R R = 12,91 Ωm Η παραπάνω είναι η αντίσταση γείωσης της διάταξης που θα τοποθετήσουμε στις άκρες καθενός από τους αγωγούς καθόδου, που στην περίπτωση του συγκεκριμένου κτηρίου είναι δύο. Εφόσον τα δύο αυτά σημεία δεν είναι απομονωμένα αλλά αποτελούν μέρος του ίδιου συστήματος αντικεραυνικής προστασίας, θεωρείται ότι η συνολική αντίσταση γείωσης προκύπτει από τον παράλληλο συνδυασμό των δύο αυτών όμοιων αντιστάσεων. Με βάση τα παραπάνω, η συνολική αντίσταση γείωσης είναι : R ολ = R / 2 = 6,455 Ωm Η τιμή που υπολογίσαμε είναι προφανώς μικρότερη από 10 Ωm, άρα βρίσκεται εντός των αποδεκτών τιμών που ορίζει το πρότυπο ΕΛΟΤ [53]

54 Περιμετρική γείωση Στις γειώσεις του συγκεκριμένου τύπου, συνίσταται η χρήση ταινίας έναντι αγωγού, καθώς έχει μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το έδαφος, συγκριτικά με αγωγό ανάλογης διατομής, και συνεπώς καθιστά πιο εύκολη τη διασπορά του ρεύματος προς το έδαφος. Στη δικιά μας περίπτωση, θα χρησιμοποιηθεί χάλκινη ταινία 30 3 mm, η οποία θα τοποθετηθεί σε όρυγμα περιμετρικά του κτηρίου σε μικρή απόσταση από αυτό, και σε βάθος 1 μέτρου. Η ταινία πρέπει να τοποθετείται με τέτοιο τρόπο ώστε η στενή της πλευρά να είναι κατακόρυφη με το έδαφος και για τη συγκράτησή της σε αυτή τη θέση χρησιμοποιούνται χαλύβδινοι θερμά επιψευδαργυρωμένοι ορθοστάτες. Εφόσον έχουμε δύο σημεία επαφής με τους αγωγούς καθόδου, θα θεωρήσουμε την περιμετρική γείωση ως δύο ταινίες μήκους 24.5 ( ) μέτρων συνδεμένες παράλληλα. Όπως είδαμε και στην προηγούμενη παράγραφο, ο τύπος από τον οποίο προκύπτει η αντίσταση γείωσης είναι ο εξής : για ταινία θαμμένη στο έδαφος, όπου : ρ = ειδική αντίσταση του εδάφους = 100 Ωm L = μήκος ταινίας = 24.5 m d = διάμετρος ταινίας = 0.03m α = βάθος ενταφιασμού = 1 m (4.5) Με την αντικατάσταση των τιμών στον τύπο, προκύπτει ότι R = 6,037 Ωm. Εφόσον θεωρήσαμε δύο όμοιες παράλληλες ταινίες, η συνολική αντίσταση γείωσης είναι : R ολ = R//R = R/2 = 3,018 Ωm. Η τιμή που υπολογίσαμε είναι αρκετά μικρότερη από 10 Ωm, άρα βρίσκεται εντός των αποδεκτών τιμών που ορίζει το πρότυπο ΕΛΟΤ [54]

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 5.1 Επιλογή Μοντέλου Προσομοίωσης Για τη μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης, πρέπει να βρεθεί το κατάλληλο μοντέλο ώστε να γίνει η σχεδίαση του κυκλώματος και συνεπώς η προσομοίωσή του. Ανατρέχοντας στη βιβλιογραφία, υπάρχουν αρκετά μοντέλα βασιζόμενα στη θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, τα οποία βελτιώνονται με την πάροδο του χρόνου. Τέτοια μοντέλα είναι αυτό της κυκλωματικής και υβριδικής προσέγγισης και της προσέγγισης γραμμής μεταφοράς, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να αναλυθούν στο πεδίο του χρόνου ή της συχνότητας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα χρησιμοποιήσουμε την κυκλωματική προσέγγιση, ένα αριθμητικό μοντέλο πολύ ευρέως χρησιμοποιούμενο στη μοντελοποίηση, που παρέχει ακρίβεια αποτελεσμάτων, ευκολία στην εφαρμογή της και στην ενσωμάτωση του φαινομένου του ιονισμού. Βασιζόμενοι στο μοντέλο που εισήγαγε το 1983 και εξέλιξε αργότερα o Meliopoulos και τα μοντέλα των Geri και Otero (1999) για την κυκλωματική προσέγγιση κατανεμημένων και χρονικά μεταβαλλόμενων παραμέτρων, οι Rong Zeng et.al. το 2008 πρότειναν ένα μοντέλο για την ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς συστημάτων γείωσης, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη το φαινόμενο του ιονισμού και τις αμοιβαίες συζεύξεις μεταξύ των αγωγών. Όπως φαίνεται στο σχήμα 5.1, ένα ηλεκτρόδιο γείωσης θαμμένο στο έδαφος σε οριζόντια θέση, ύστερα από κρουστικό πλήγμα κεραυνικού ρεύματος, μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα δίκτυο κατανεμημένων παραμέτρων. Ένα στοιχειώδες τμήμα του αγωγού απαρτίζεται από μια αντίσταση (r i ) εν σειρά με μια αυτεπαγωγή (L i ), καθώς επίσης και από τις εγκάρσιες αγωγιμότητες (G i ) παράλληλα με τις χωρητικότητες (C i ). Σχήμα Αναπαράσταση ηλεκτροδίου γείωσης με μη-ομοιόμορφα συγκεντρωμένες παραμέτρους [55]

56 Η αναπαριστώμενη παράλληλη αγωγιμότητα και χωρητικότητα του ηλεκτροδίου εξαρτάται από την ισοδύναμη διάμετρο κάθε τμήματος του αγωγού, που σημαίνει ότι κι αυτές μεταβάλλονται ως προς το χρόνο. Αντίθετα, η εν σειρά αντίσταση και επαγωγή είναι ανεξάρτητες της ισοδύναμης διαμέτρου του αγωγού. Αυτό συμβαίνει διότι η κατεύθυνση του ρεύματος που εκχέεται στο έδαφος είναι κάθετη με την επιφάνεια του αγωγού στο όριο αγωγού εδάφους. Η μαγνητική σύνδεση είναι επίσης ανεξάρτητη από τις ισοδύναμες διαμέτρους των αγωγών. Σύμφωνα με το φυσικό ορισμό, η αντίσταση και η επαγωγή δε μεταβάλλονται σε σχέση με την περιοχή ιονισμού του εδάφους, αλλά το φαινόμενο επηρεάζει μόνο την παράλληλη αγωγιμότητα και χωρητικότητα. Οι παράμετροι του ισοδύναμου κυκλώματος του σχήματος 5.1 είναι οι εξής : (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) Όπου : ρ : η ειδική αντίσταση του εδάφους (Ωm) l i : το ολικό μήκος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) α : η διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης (m) h : το βάθος ενταφιασμού του ηλεκτροδίου (m) μ 0 : η μαγνητική διαπερατότητα του κενού = 4π 10-7 (H/m) ε : η διηλεκτρική σταθερά του εδάφους (F/m) α i : η ισοδύναμη διάμετρος του ηλεκτροδίου με ιονισμό Στη σχέση υπολογισμού της χωρητικότητας c i, όταν συμπεριλαμβάνεται το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, η ισοδύναμη διάμετρος του ηλεκτροδίου γείωσης υπολογίζεται από τη σχέση : (5.5) [56]

57 Όπου : I mi : η ένταση του ρεύματος που οδηγείται στο στοιχείο (A) Ε 0 : η ένταση του πεδίου ιονισμού (V/m) 5.2 Υπολογισμός των στοιχείων της κυκλωματικής προσέγγισης Στα σχέδια 5.2 και 5.3 με κόκκινο χρώμα σημειώνεται το συλλεκτήριο σύστημα αγωγών και με μπλε το σύστημα γείωσης. Στην πρώτη περίπτωση φαίνεται η οριζόντια ταινία με το κατακόρυφο ηλεκτρόδιο και στη δεύτερη η ταινία τοποθετημένη περιμετρικά του κτηρίου. Σχήμα 5.2 [57]

58 Σχήμα 5.3 Εν συνεχεία υπολογίζουμε τις παραμέτρους των τύπων Η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς προσδιορίζεται από τον παρακάτω πίνακα. [58]

59 Πίνακας 5.1 Ενδεικτικές τιμές διηλεκτρικής σταθεράς για διάφορα διηλεκτρικά μέσα Δεδομένου ότι ε = ε r ε 0 και η διηλεκτρική σταθερά του κενού είναι ε 0 = 8, (F/m), προκύπτει ότι για το έδαφος η διηλεκτρική σταθερά είναι ε = 2, (F/m). Η μαγνητική διαπερατότητα θεωρείται ίση με μ0 = 4π 10-7 (H/m). Κάνοντας χρήση των τύπων υπολογίσαμε τις τιμές των στοιχείων του κυκλώματος και τις παραθέτουμε στους παρακάτω πίνακες. Σταθερές Χωρίς ιονισμό εδάφους Με ιονισμό εδάφους μ 0 (H/m) π (rad) ρ (Ωm) ε r ε 0 (F/m) h (m) 1 1 I m (ka) E 0 (kv/m) Πίνακας 5.2 Γείωση οριζόντιας ταινίας παράλληλα με κατακόρυφο ηλεκτρόδιο Οριζόντιοι αγωγοί Χωρίς ιονισμό εδάφους Με ιονισμό εδάφους r (ακτίνα ταινίας) (m) 0,015 0,015 r i (Ω) 21,562 21,562 α i (m) - 1,327 [59]

60 l i (m) 4 4 L i (H) 11, , C i (α i ) (F) 12, , G i (α i ) (S) 0,045 0,112 Κάθετες ράβδοι r (ακτίνα ηλεκτροδίου) 0,01 0,01 (m) l i (m) 2 2 C i (α i ) (F) 6, , G i (α i ) (S) 0,0237 0,05 L i (H) 10, , α i (m) - 2,654 Πίνακας 5.3 Περιμετρική γείωση ταινία Ταινία μήκους 10 m Χωρίς ιονισμό εδάφους Με ιονισμό εδάφους r (ακτίνα ταινίας) (m) r i (Ω) 11,143 11,143 L i (H) α i (m) - 0,531 C i (α i ) (F) 27, , G i (α i ) (S) 0,0965 0,1703 Ταινία μήκους 14,5 m Χωρίς ιονισμό εδάφους Με ιονισμό εδάφους r (ακτίνα ταινίας) (m) r i (Ω) 8,436 8,436 L i (H) 13, , α i (m) - 0,366 C i (α i ) (F) 37, , G i (α i ) (S) 0,1324 0,2457 Πίνακας 5.4 Αφού υπολογίστηκαν οι παραπάνω παράμετροι, προχωρούμε στη σχεδίαση του ισοδύναμου κυκλώματος για το σύστημα γείωσης στο περιβάλλον ATP Draw. Σχήμα Προσομοίωση συστήματος γείωσης οριζόντιας ταινίας κατακόρυφης ράβδου. [60]

61 Σχήμα Προσομοίωση συστήματος περιμετρικής γείωσης με οριζόντια ταινία Αυτεπαγωγή L Ως αυτεπαγωγή ενός αγωγού ορίζουμε το λόγο της μεταβολής της πεπλεγμένης ροής του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος του αγωγού, προς τη μεταβολή του ρεύματος. L = (Η) (5.6) Αν το μαγνητικό κύκλωμα έχει σταθερή μαγνητική διαπερατότητα ισχύει : L = (Η) (5.7) Η πεπλεγμένη ροή στο εσωτερικό κυλινδρικού αγωγού, ακτίνας r, που διαρρέεται από ρεύμα I, είναι : Λ εσ = (5.8) Μετριέται σε Weber-turn ανά μονάδα μήκους του αγωγού. Άρα η αντίστοιχη αυτεπαγωγή είναι : L εσ = (H/m) (5.9) Για αγωγούς από χαλκό ή αλουμίνιο ισχύει L εσ = 0,05 mh/km. Στους πίνακες που ακολουθούν παρατίθενται οι τιμές των αυτεπαγωγών των αγωγών, όπως υπολογίστηκαν από τη σχέση : L = L εσ l, όπου l τα μήκη των αγωγών. [61]

62 Μήκος συλλεκτηρίου αγωγού (m) Μαγνητική διαπερατότητα του κενού μ 0 (Η/m) Ακτίνα συλλεκτηρίου αγωγού (m) π (rads) Επαγωγή L (mh) E E E E E E E E E E E E E E E E E E Μήκος αγωγών καθόδου (m) E E Πίνακας Επαγωγές L για τους αγωγούς Εμπεδήσεις ( R ) Η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού αναμένεται να είναι μεγαλύτερη για αγωγό μεγαλύτερου μήκους, μικρότερη για αγωγό με μεγαλύτερη διάμετρο και εξαρτάται από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος. Η αντίσταση ενός αγωγού εκφράζεται από τη σχέση : Όπου : ρ = ειδική αντίσταση, l = μήκος του αγωγού, α = εμβαδόν κάθετης διατομής R = ρ (5.10) Εφόσον γνωρίζουμε ότι η διατομή των αγωγών είναι 0,008 m, και η ειδική αντίσταση του χαλκού είναι 1, Ωm, κάνοντας χρήση του τύπου 5.10, γίνεται ο υπολογισμός των εμπεδήσεων των αγωγών συλλογής και καθόδου του ΣΑΠ. Τα αποτελέσματα παρατίθενται στους πίνακες που ακολουθούν. [62]

63 Μήκος συλλεκτηρίου αγωγού (m) Αντίσταση R (mω) Μήκος αγωγών καθόδου (m) Πίνακας Εμπεδήσεις R για τους αγωγούς. Αφού υπολογίστηκαν οι παραπάνω τιμές, μπορεί να σχεδιαστεί ολοκληρωμένα το ισοδύναμο κύκλωμα ώστε να γίνει η εξομοίωση στο ATP- Draw. Τελικά προκύπτουν τα κυκλώματα που ακολουθούν : Σχήμα 5.6 Ισοδύναμο κύκλωμα με γείωση ταινίας και κάθετου ηλεκτροδίου. [63]

64 Σχήμα 5.7 Μεγέθυνση τμήματος του κυκλώματος. Σχήμα 5.8 Ισοδύναμο κύκλωμα με περιμετρική γείωση. [64]

65 Σχήμα 5.9. Μεγέθυνση τμήματος του κυκλώματος. 5.3 Προσομοίωση Για την προσομοίωση του ισοδύναμου κυκλώματος του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας και την ανάλυση της μεταβατικής συμπεριφοράς του χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ATP EMTP, το οποίο είναι το πιο κατάλληλο πρόγραμμα για την προσομοίωση και τη μοντελοποίηση ανάλογων συστημάτων Κρουστικό Ρεύμα Κεραυνού Εν συνεχεία πρέπει να επιβάλλουμε κεραυνικό ρεύμα σε ορισμένα σημεία του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας, και πιο συγκεκριμένα στην καμινάδα, που είναι και το πιο ψηλό σημείο της κατασκευής. Ως ρεύμα κεραυνού δεχόμαστε το πρότυπο που εισήγαγε ο Heidler και επιβεβαιώθηκε από τον διεθνή κανονισμό IEC Όπου : Ι = ρεύμα κορυφής K = διορθωτικός συντελεστής ρεύματος κορυφής t = χρόνος τ 1 = χρόνος μετώπου τ 2 = χρόνος ουράς (5.11) [65]

66 Πίνακας Παράμετροι για την κυματομορφή Τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας που σχεδιάστηκαν και απεικονίζονται στα σχήματα 5.6 και 5.8, με βάση τον παραπάνω πίνακα, υποβάλλονται σε κρουστικό ρεύμα κεραυνού με ρεύμα κορυφής I = 100kA και I = 10kA σε δεύτερη περίπτωση, χρόνο μετώπου τ 1 = 1,2 μs και χρόνο ουράς τ 2 = 50 μs. Με βάση τους κανονισμούς, οι κυματομορφές του χρόνου ανόδου και ουράς παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα Κυματομορφή ρεύματος ανόδου [66]

67 Σχήμα Κυματομορφή ρεύματος ουράς [67]

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Αποτελέσματα προσομοίωσης Μετά την αναπαράσταση και προσομοίωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας προχωρήσαμε στην επιβολή κεραυνικού ρεύματος στο ψηλότερο σημείο της κατασκευής και παρατηρήσαμε ανύψωση του δυναμικού στο σημείο του πλήγματος αλλά και σε γειτονικούς κόμβους. Κάνοντας χρήση του λογισμικού PlotXWin προέκυψαν τα αποτελέσματα με τη μορφή γραφικών παραστάσεων. Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται το σημείο που επιλέξαμε για την έκχυση του κεραυνικού ρεύματος. Σχήμα 6.1 Σημείο κεραυνικού πλήγματος Το ισοδύναμο κύκλωμα που προκύπτει, με τις γειώσεις ταινίας και κάθετου ηλεκτροδίου απεικονίζεται στο σχήμα 6.2 Στην πρώτη προσομοίωση θεωρούμε κεραυνικό ρεύμα έντασης 100kA-1,2/50μs και στη δεύτερη 10kA- 1,2/50μs, με σημείο εισόδου το σημείο Β. Στη συνέχεια, επαναλαμβάνεται η προσομοίωση λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. [68]